On the symmetry of nuclear identity between relativistic primary and secondary nuclei [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Louis Lerman

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• Publié par: philipps-universitat_marburg
• Publié le: 01 janvier 2002
• Nombre de lectures: 18
• Langue: Deutsch
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Extrait

On the Symmetry of Nuclear Identity
between Relativistic Primary and Secondary Nuclei



Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
(Dr. rer. Nat.)




dem
Fachbereich Chemie
der Philipps-Universität Marburg



vorgelegt
von
Louis Lerman
aus
Washington, D.C.



Marburg/Lahn 2002



























Vom Fachbereich Chemie der Philipps-Universität Marburg/Lahn
als

Dissertation am angenommen: 5/31/02
Tag der mündlichen Prüfung am: 6/18/02

Erstgutachter: Herr Prof. Dr. R. Brandt
Zweitgutachterin: Frau Dr. M. Haiduc und Herr Prof. Dr. Jungclas


RHIP

Relativistic Heavy Ion Phenomenology



We shall not cease from exploration
And the end of all our exploring
Will be to arrive where we started
And know the place for the first time.

T.S. Eliot (Four Quartets) Über die Symmetrie der Identität von Atomkernen,
untersucht am Beispiel relativistischer Primärteilchen
und den daraus gebildeten Sekundärteilchen

Dissertation von Louis Lerman
(Kurzfassung in deutscher Sprache)

Es wird die Frage untersucht, ob hadronische Sekundärteilchen die gleichen
fundamentalen Eigenschaften wie die primären relativistischen Teilchen besitzen, aus denen
sie durch Kernwechselwirkungen hervorgegangen sind. Es werden zwei sich ergänzende
Experimente beschrieben. Das erste Experiment bestand aus der Bestrahlung einer
40Kernspuremulsion mit den 1.8 AGeV Ar-Ionen des BEVATRONS am Lawrence Berkeley
Laboratory in Kalifornien und der anschließenden gründlichen Auswertung der Kernspuren
im Emulsionsstack. Die vollständige Analyse dieser Art von Bestrahlung ist die erste in ihrer
40Art, und es wurden 1418 „Sterne“ (der Wechselwirkung der Ar-Ionen als Primärteilchen mit
den Bestandteilen der Kernspuremulsion) am Mikroskop genau ausgemessen, dazu 1850
„Sterne“, die von Sekundärteilchen induziert wurden und außerdem über 10.000
„Schauerteilchen“ und „langsame, stark ionisierende Teilchen“. Diese Ergebnisse bilden die
experimentelle Datenbasis zur Untersuchung der Symmetrie zwischen Primärteilchen und den
daraus gebildeten Sekundärteilchen. Ein Ergebnis dieser Untersuchungen ist die gesicherte
Feststellung, daß der totale Wechselwirkungsquerschnitt von α-Teilchen sich nicht mit der
Generationsfolge ändert.
Das zweite „Experiment“ ist virtueller Natur und besteht aus Monte Carlo
Simulations-Rechnungen, die auf den Emulsionsexperimenten aufbauen. Zuerst wird ein
allgemeines Progamm, RHIP, entwickelt. Dieses ermöglicht die Untersuchung einer Reihe
von Problemen aus der Teilchenphysik bis hin zu Anwendungen bei der NASA, um den
Einfluß der galaktischen, kosmischen Strahlung während bemannter Raumflüge zu
simulieren. Der Hauptteil dieser Arbeit besteht aber in der Entwicklung eines spezielleren
Programmes, BFHL, das eine sehr detailierte Analyse der kernchemischen Untersuchungen
(„Kupfer Kalorimeter Experiment“) an Kupfer-Targets ermöglicht, die ebenfalls mit den
40schon erwähnten 1.8 AGeV Ar-Ionen bestrahlt wurden. Die sehr bis ins Einzelne gehenden
analytischen Simulationsrechnungen zeigen, daß die experimentellen Meßergebnisse für das
24wichtigste Reaktionsprodukt dieser Kernreaktion - es ist das Nuklid Na - nur erklärt werden
können, wenn man einen drastisch angewachsenen partiellen Wirkungsquerschnitt für die
24Bildung von Na postuliert. Es muß weiter angenommen werden, daß dieses insbesondere für
-9solche Reaktionen gilt, die von schweren Sekundärfragmente (Z ≥2) in einer Zeit von ca. 10
Sekunden nach ihrer Entstehung induziert werden. Zusätzliche Untersuchungen an den
relativistischen „Schauerteilchen“ unter Verwendung gleichartig erhöhter partieller
24Bildungsquerschnitte für Na ergeben keine Anpassung an die experimentellen Meßbefunde.
Es ist sehr interessant darauf hinzuweisen, daß ähnliche experimentelle Resultate bezüglich
Lebensdauer, Energieschwelle und der Produktionsrate für kollektive „seltsame“ („strange“)
Kernmaterie beobachtet wurden.
Was immer die endgültig akzeptierbare Interpretation dieser Phänomene in der
Zukunft ergeben möge, die vorgelegte Arbeit weist sehr deutlich in die Richtung, daß hier ein
bisher unvermutetes nicht lineares Verhalten in einer Teilmenge der Reaktionsprodukte bei
den hier untersuchten relativistischen Kernreaktionen vorliegt. Es scheint eine Asymmetrie in
den Kernwechselwirkungseigenschaften zwischen den Primärteilchen und den von ihnen nach
Kernwechselwirkungen ausgehenden Sekundärteilchen vorzuliegen.

On the Exploration of the Symmetry of Nuclear Identity
between Relativistic Primary and Secondary Nuclei

Dissertation by Louis Lerman


Do secondary hadrons, freshly created in the collision of a relativistic heavy ion nucleus,
have the same properties of nuclear interaction as those of an otherwise identical primary?

To explore this question two types of experiments were performed, one in fact and one in
fiction. The first was the scanning and measurement of an emulsion stack exposed to a 1.8 A
40GeV Ar beam from Lawrence Berkeley Laboratory’s Bevatron. This emulsion experiment
is the first full-stack scan of a major exposure ever performed and includes 1418 stars of
primary interactions, 1850 secondary stars, and tens of thousands of shower and slow heavily
ionizing particles. As such it constitutes a dataset uniquely powerful in exploring questions of
symmetry between primary and secondary populations. One of the emulsion results is the
experimental determination (and to a particularly high accuracy for Z=2) that total
(geometric) cross-section does not change with generation for the secondaries under study.

The ‘fictional’ experiments are a set of Monte-Carlo simulations based on the transport code
RHIP, itself built upon the results of the emulsions experiment. RHIP is designed to attack a
number of problems ranging from particle physics to NASA’s need to model the nuclear
cascades induced by Galactic Cosmic Rays impinging on manned spacecraft. The major
40version of RHIP dealt with here is BFHL, a detailed modeling of a 1.8 A GeV Ar beam on
cylindrically symmetric sets of Cu targets.

BFHL was then applied to the Copper Calorimetry Experiments also performed at Lawrence
Berkeley Laboratory. The exhaustive simulation and analysis presented here shows that all
but one of the variables considered can neither quantitatively nor qualitatively explain the
results of the Copper Calorimetry Experiments. Amongst many others these failures of fit
include all transport variables, the total cross-section (i.e. short mean free path), and a higher
than normal P for shower particles. t

Instead, the Copper Calorimetry Experiments can only be explained by a significantly
24enhanced partial cross-section for the production of the isotope measured ( Na). This
-9 -10 enhancement appears to have a lifetime of 10 or 10 seconds and to be carried by a
subpopulation of secondary (Z ≥2) fragments. (Simulations of shower particles having
enhanced production cross-sections do not fit the experimental data as well.) Most intriguing
is a congruence of energy thresholds, lifetimes, and production efficiencies between the
inferred carrier of this enhanced production (partial) cross-section and collective strange
matter.

Whatever the actual explanation, the results of this work strongly suggests that in a subset of
relativistic ion collisions… asymmetries in nuclear interaction properties exist between
primary and secondary populations, and that some form of previously unsuspected non-linear
behavior exists in the involved collisions. CONTENTS


I Prologue
1.1 The Experiment and its Conceptual Underpinnings
1.2 Experimental Applications of Activity Ratios
1.3 Monte Carlo Simulation and the Phenomenological Approach
1.4 Factorization & Limiting Fragmentation
1.5 The Simulations Themselves
1.6 Simulation and Phenomenological Results
1.7 Other Potential Applications of this Work


II Nuclear Emulsions
2.1 Nuclear Emulsions: An Introduction
2.2 The Birth of the Modern
2.3 Properties of the Modern Nuclear Emulsion
2.4 Nuclear emulsion as ‘Target’
2.5 The Geometric Interpretation of Nuclear Cross-Section
(Bradt-Peters Formalism)
2.6 The Question of the Constancy of Emulsion Compositions
2.7 Nuclear Emulsion as Detector-Recorder
2.7.1 Nuclear Emulsion as Detector
2.7.2 sion as Recorder
2.8 Limitations of Nuclear Emulsions
2.9 Advantages of Nuclear Emulsions


III Methodology of Scanning and Measurement
3.1 What can we observe….What do we observe
3.2